豐橋技術(shù)大學(xué)的研究人員使用氣溶膠沉積法成功地在石榴石型氧化物固體電解質(zhì)上制造了三釩酸鋰(LVO)陰極厚膜。在固體電解質(zhì)上制造的LVO陰極厚膜顯示出大的可逆充放電容量，高達(dá)300mAh/g，在100℃時具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。這一發(fā)現(xiàn)可能有助于實現(xiàn)高度安全和化學(xué)穩(wěn)定的氧化物基全固態(tài)鋰電池。研究結(jié)果于2018年9月1日在材料中報道。

可再充電鋰離子電池(LiB)由于其高能量密度和良好的循環(huán)性能而在全球廣泛用作諸如智能電話，平板電腦和膝上型計算機(jī)的移動電子設(shè)備的電源。最近，中型和大型LiB的開發(fā)已被加速用于汽車推進(jìn)和固定負(fù)載均衡，以用于太陽能或風(fēng)能的間歇發(fā)電。然而，更大的電池尺寸會導(dǎo)致LIB中更嚴(yán)重的安全問題;其中一個主要原因是易燃有機(jī)液體電解質(zhì)的數(shù)量增加。

具有不可燃無機(jī)鋰離子(Li+)導(dǎo)體作為固體電解質(zhì)(SE)的全固態(tài)LiB由于其高能量密度，安全性和可靠性而有望成為下一代儲能裝置。SE材料不僅必須在室溫下具有高的鋰離子傳導(dǎo)性，而且還具有可變形性和化學(xué)穩(wěn)定性。與硫化物基材料相比，氧化物基SE材料具有相對低的導(dǎo)電性和差的可變形性;然而，它們具有其他優(yōu)點，例如化學(xué)穩(wěn)定性和易于處理。

石榴石型快速Li+導(dǎo)電氧化物L(fēng)i7-xLa3Zr2-xTaxO12(x=0.4-0.5，LLZTO)因其良好的離子導(dǎo)電性和高電化學(xué)穩(wěn)定性而被認(rèn)為是SE的良好候選物。然而，通常需要1000-1200℃的高溫?zé)Y(jié)來致密化，并且該溫度太高而不能抑制SE與大多數(shù)電極材料之間界面處的不希望的副反應(yīng)。因此，目前有限的電極材料可用于具有通過共燒結(jié)工藝開發(fā)的石榴石型SE的固態(tài)電池。

RyojiInada和他在豐橋技術(shù)大學(xué)電氣與電子信息工程系的同事通過使用氣溶膠沉積(AD)方法成功地在石榴石型LLZTO上制造三釩酸鋰(LiV3O8，LVO)厚膜陰極。制備全固態(tài)細(xì)胞樣品并使用制造的復(fù)合材料進(jìn)行測試。

已知AD方法是室溫膜制造工藝，其使用陶瓷顆粒在基板上的沖擊固結(jié)。通過控制粒度和形態(tài)，可以在各種基材上制造致密的陶瓷厚膜而無需熱處理。該特征在氧化物基固態(tài)電池的制造中是有吸引力的，因為可以在SE上選擇和形成各種電極活性材料而不進(jìn)行熱處理。

已經(jīng)長期研究LVO作為鋰基電池的陰極材料，因為其Li+存儲容量大約為300mAh/g。然而，尚未研究LVO作為固態(tài)電池陰極的可行性。LVO的反應(yīng)在放電(即，Li+插入)過程中開始，其不同于LiB2的其他常規(guī)陰極材料，例如LiCoO2，LiMn2O4和LiFePO4。因此，在目前的LiB中廣泛使用的石墨陽極難以用于具有LVO陰極的電池中。在具有石榴石型SE的固態(tài)電池中，Li金屬電極可以潛在地用作陽極;因此，LVO將成為高容量陰極的有吸引力的候選者。

為了在LLZTO顆粒上制造致密的LVO膜，通過球磨控制LVO顆粒的尺寸。結(jié)果，在室溫下在LLZTO上成功地制造了厚度為5-6μm的LVO厚膜。LVO厚膜的相對密度約為85%。對于作為陰極的LVO厚膜的電化學(xué)表征，將Li金屬箔附著在LLZTO粒料的相對的端面上作為陽極，以形成LVO/LLZTO/Li結(jié)構(gòu)的固態(tài)電池。在50和100℃下測量LVO/LLZTO/Li全固態(tài)電池中的恒電流充電(從LVO中提取Li+)和放電(Li+插入到LVO中)性質(zhì)。

雖然極化在50oC時相當(dāng)大，但確認(rèn)了可逆容量約為100mAh/g。隨著溫度升高到100oC，在平均電池電壓約為2.5V時，極化率降低，容量顯著增加到300mAh/g;這是在有機(jī)液體電解質(zhì)中觀察到的LVO電極的典型行為。另外，我們確認(rèn)固態(tài)電池中的充電和放電反應(yīng)在各種電流密度下穩(wěn)定地循環(huán)。這可歸因于通過沖擊固結(jié)制造的LVO膜與膜中的LLZTO和LVO顆粒之間的強粘附性。

這些結(jié)果表明，LVO可以潛在地用作氧化物基固態(tài)電池中的高容量陰極，具有高安全性和化學(xué)穩(wěn)定性，即使需要進(jìn)一步研究以提高性能。研究人員已經(jīng)進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，以在較低的工作溫度下實現(xiàn)基于氧化物的固態(tài)電池。